宇宙里有什么
第一节 宇宙里有什么
宇宙中有各种各样的天体，有像太阳一样自己能发光的，有像月亮一样自己发不了光，但是可以反射太阳光的，也有像黑洞（black hole）一样完全不发光的，种类繁多。
单看发光这一个特性，就可以分为很多方面。比如天体自身能不能发光？发什么颜色的光？是不是可见光？那到底是什么决定了天体多种多样的性质呢？其实归根结底，天体之间最大的差别，或者说对性质具有最大影响的参数，就是天体的质量（mass）。
质量的划分
按照质量由小到大来划分，宇宙中的天体大致可以分为三个档位。
以太阳的质量（solarmass）作为参照物，质量小于0.07倍太阳质量的，可以分为一类。这一类天体，靠自身没有办法发出耀眼的光芒。比如太阳系里的八大行星，再比如月亮、木卫这样的卫星，还有更小的彗星，以及其他的小行星（asteroid）、矮行星（dwarf planet）等。
这些不发光的天体，之所以有不同的名称，质量不是唯一的决定因素，主要是因为它们运行轨道的特点各不相同。比如行星是围绕着恒星运行的，且必须是自己轨道附近质量最大的天体；小行星和矮行星虽然也围绕着太阳公转，但不是围绕着自己轨道里质量最大的天体；而卫星则是围绕着行星运行的天体。初始质量达到0.07倍太阳质量的初期天体，就可以成为一颗恒星，开始发光了。
但是等天体自身的能量消耗殆尽，由于质量的不同，它们将去往不同的终点。此处我们对天体的质量的划分，统一用它们恒星时期的质量，由于恒星在核聚变（nuclear fusion）释放能量的过程中，质量也在不断减小（核聚变的反应本质是将质量转化成能量以辐射的形式释放出去），因此我们需要明确此处的质量是天体恒星阶段的质量，而非反应后进入老年时期的质量。质量特别大的天体，最终就有机会成为一个黑洞。要想成为一个黑洞，一般需要天体在恒星阶段时的质量达到太阳质量的29倍以上。因此我们可以把质量是太阳质量29倍以上的天体，也划分为一类，它们是有希望最终成为黑洞的天体。
当然，29倍并非是一个确切的数值，因为理论上黑洞的形成并不需要临界质量（criticalmass），只要表面引力达到足够强度就可以。只是根据科学家们的计算，恒星在成为黑洞之前，通常都具有太阳质量29倍以上的质量的初始质量。那么质量在0.07—29倍太阳质量之间的天体，是我们重点的研究对象。这个区间的天体早年都是恒星，不断向外发光发热。等到有一天能量消耗光了，它们会根据自身质量的不同，从恒星演变为不同的天体。这中间还有一个关键点，就是10.5倍左右的太阳质量。10.5倍左右太阳质量的恒星，在结束核反应之后，剩下的质量大约等于1.44倍太阳质量。1.44倍太阳质量这个节点，叫钱德拉塞卡极限（Chandrasekhar limit）。反应后质量在1.44倍太阳质量以下的恒星，最终将变成白矮星；而1.44倍太阳质量以上的，最终可能会变成一颗中子星，或脉冲星（pulsar）。中子星和脉冲星的质量也有上限，这个上限叫作奥本海默极限（TOV limit），大约是3倍太阳质量，对应于反应前的恒星状态的质量大约是20倍太阳质量。而脉冲星由于高速旋转的离心力可以抵消部分引力，它的奥本海默极限会更高一些。
图5-1 不同质量的天体划分
所以用天体核反应前的初始质量来划分天体几个重要的挡位，分别是0.07倍太阳质量、10.5倍太阳质量、29倍太阳质量。但是如果以核反应后的最终质量来划分，则是0.07倍太阳质量（0.07倍左右太阳质量的天体核反应速度极慢，它们的寿命甚至比目前宇宙138亿年的年龄要长得多，达到了万亿年的数量级）、1.44倍太阳质量以及3倍太阳质量。
大质量天体的共同特点
性质最有趣多变的，是质量在恒星这个挡位，也就是0.07倍太阳质量以上，29倍太阳质量以下的天体。
质量在0.07倍太阳质量以下的天体虽然种类繁多，性质也各异，但对于它们的研究反而更像是天体物理、地球物理、地质学甚至化学的一些分支学科。我们此处更关心天体的宏观性质。谈到宏观性质，大质量天体有一个共同特点，那就是它们都是球形。
为什么天体大多是球形？
为什么大质量天体的形状都是球形？这背后的原因其实也是质量。
质量足够大导致天体作用在自己身上的万有引力足够大，也就是说，任何在这个星球表面的物体，它们感受到的重力都是比较大的。引力是一个各向同性的力，一个质点（只有质量大小，没有体积的理想模型）在空间中某点受到的引力大小，只与该点远离该质点的距离有关，与该点相对于质点的具体方向无关，因此一个球形天体的引力分布在三维空间里会形成一个球对称（sphericalsymmetric）的形状。
图5-2 哈利法塔——世界上最高的建筑物（828米）
久而久之，天体就倾向于成为一个球。并且质量越大的天体，它的表面就越光滑，越接近一个完美的球形。这是为什么呢？假设我们在地球上盖一栋摩天大楼，很显然，这栋摩天大楼盖得越高，楼的重量就会越重，但是任何建筑材料能够承载的压力都有一个极限。
压力大到一定程度，材料就无法保证原来的形状，就会变形，甚至使建筑物倒塌。也就是说，你不可能盖一栋无限高的楼。
同理，当一个天体的质量大到一定程度的时候，它上面的物质不可能保持很高的高度。如果无法保持很高的高度，就一定会垮塌。因此，越是质量大的天体，它的表面就应该越平坦，形状就越趋向于一个精确的球面。在太阳系里，火星和金星的重力都比地球小，这两个行星上的最高峰都比地球的珠穆朗玛峰高，火星的重力大约只是地球的三分之一，它的最高峰——奥林帕斯山的高度是珠穆朗玛峰的三倍之多。
这就是为什么大部分天体总体的外形都是球形。虽然天体的表面会有一定的起伏，但是这些起伏的高度跟天体的半径比起来都是很小的。而宇宙当中那些质量比较小的天体，就不一定是球形了，比如很多小行星、陨石和彗星。因为它们的质量太小，引力没有办法把它们的表面“吸”成球形。
第二节 恒星为什么会发光
核聚变
首先要回答一个很重要的问题：恒星为什么会发光？答案：核聚变。
根据爱因斯坦的质能方程，能量等于质量再乘以光速的平方。做一个简单的计算就可以知道，这种能量的释放是极其巨大的。核聚变就是这样的反应：比较轻的原子相互碰撞，结合成比较重的原子。在结合的过程中会亏损一部分质量，以能量的形式释放出来。
虽然亏损的质量很小，但是由于E=mc2，所以转化后的能量仍然十分巨大。那要在什么情况下才能发生核聚变呢？答案是：温度足够高。
图5-3 氘氚聚变反应
两个比较轻的原子核要能聚合在一起，前提是这两个原子核要以非常高的速度相互撞击。原子核的结构是非常稳固的，要让它们结合在一起，一个原子核要打破另外一个原子核的结构，就好像要穿透一层厚厚的装甲，就需要用速度极快的炮弹去轰击一样。
所以，要想发生核聚变，就需要使聚变的原子核运动速度非常快，也就是动能要非常大。
恒星发光的物理过程
那为什么恒星能够发生核聚变呢？关键原因还是质量要足够大。因为只有质量足够大，才能给原子带来足够大的动能。
一个质量越大的天体，它自身的引力就越大。那么在天体内部越深的位置，物质要承受的它上方所有其他物质的重力就越大，那么该点的压强就越大。而压强和温度正相关，也就是在一定的体积内，压强越大，温度就越高。这样的生活经验大家都有，比方说给自行车轮胎打气，气打得越足，打气筒就会越热。所以越大的压强对应越高的温度。
那温度又是什么呢？中学课本里有一个定义：温度是物体的冷热程度。但是这种说法并没有触及温度的本质。冷或者热，都是人体的主观感受，并不是物理学上的精确定义。在热力学（thermodynamics）中，温度正比于微观粒子平均动能的高低，微观粒子的运动速度越快，其表现的温度越高。
所以根据上面的推理，当天体的质量越大，则内部压强越大，温度越高，造成微观粒子运动速度越快。当恒星中微观粒子的运动速度快到一定程度，达到可以让核聚变发生的极限，恒星就被“点燃”，开始了发光发热的过程。
发生核聚变以后，释放的热量会进一步提升恒星的温度，可以让核聚变持续进行下去。新产生的能量会被释放到天体表面，最终达到一种动态平衡，恒星也会保持相对稳定的温度。
所以天体要成为恒星，必然是有一个最小的临界质量。高于这个质量的天体，才会成为一颗恒星。那这个质量是多少呢？大约是太阳质量的7%，低于这个质量，就无法成为一颗发光发热的恒星。当然，光有质量还不够，这颗恒星上的物质必须能够发生核聚变反应。比如太阳主要由氢元素（hydrogen）和它的同位素（isotope）构成，这些都是核聚变反应的原料。但是恒星的能量也不是无限的，总会有消耗殆尽的一天。那么恒星燃烧完了之后会变成什么呢？恒星的“生命”有没有终点呢？
第三节 恒星的第一种结局：白矮星
如果把一颗恒星从诞生到死亡比作一个人的一生，那么发光的阶段其实就是恒星的青年、壮年时期。但是等恒星“老去”，它的老年，甚至死亡，会是什么样的呢？
为什么天体有大小？
首先来看一个跟恒星的演化并不直接相关的问题，就是天体为什么会有大小？天体之所以能够形成，是因为物质在万有引力的作用下聚合到了一起。也就是说，万有引力永远提供一个向内收拢的趋势。
天体形成以后，这个引力仍然存在，天体上的每一寸土地都还受到万有引力的作用。那么既然它能形成一个固定的大小，就必须有一个向外的力去跟引力平衡，否则天体一定会继续收缩。
那究竟是什么力去跟恒星引力平衡的呢？答案是恒星内部的核聚变所释放出的巨大能量的反冲力。
核聚变放出光和热跟氢弹的爆炸一样，是以爆破的形式向外辐射的。这股向外的趋势会平衡恒星的引力，让恒星达到一个稳定的大小。
恒星燃料耗尽了怎么办？红巨星与超新星
当恒星用来聚变的燃料耗尽时，比如氢元素在聚变之后形成了氦元素（helium），那么用来平衡引力的力就没有了，恒星会继续收缩变小。
但是恒星的收缩并不是一蹴而就的。原本稳定的状态突然失稳，会有一个剧烈变化的中间态，视乎恒星质量的大小，这个状态或是红巨星，又或是蓝巨星（blue giant），甚至是不同类型的超新星。所以红巨星、蓝巨星以及各种类型的超新星并不是稳定的天体，而是恒星衰老过程中的一个阶段。
对于中等质量的恒星，例如我们的太阳，它在能量消耗殆尽后会转变为一颗红巨星，红巨星状态存在的时间大约是几十万到上百万年。虽然这段时间在我们看来非常长，但是相对于恒星几十亿，甚至上百亿年的寿命来说，其实是非常短的。红巨星极其巨大，它的直径可以大到恒星的几百倍。如果太阳变成红巨星的话，体积一定会大到吞噬地球，届时地球上的生命就会灭绝。
为什么红巨星反而会越变越大呢？因为当氢原子作为核聚变反应的燃料消耗殆尽时，生成的氦原子在一定情况下，还可以继续进行核聚变。氦的核聚变比氢的核聚变难度更高。在太阳中心，氢的核聚变在一千多万摄氏度就可以发生，但是氦的核聚变要达到一两亿摄氏度才行。
氢的核聚变完结以后，恒星就开始收缩成体积更小的状态。而更小的体积对应更大的密度，也就意味着更大的内部压强。这种强大的压强可以把恒星内部加热到一两亿摄氏度，从而激发新的核反应。
氦原子在核聚变的作用下，会结合形成碳（carbon）原子，进一步发出能量，这种物理现象叫作氦闪（helium flash）。氦闪的过程是恒星核心收缩到一定程度后发生的，一旦发生就有一股巨大的能量向外喷出。这股能量的瞬间爆发，就提供了红巨星向外膨胀的力量，所以理解了氦闪，就理解为什么会有红巨星的产生了。当然，并非所有恒星在核聚变结束以后都会发生氦闪，质量小于约0.8倍太阳质量的恒星，其引力就不足以提供发生氦闪所需要的温度。
蓝巨星其实就是能量等级更高的红巨星的前置状态，因为能量高，所以辐射的电磁波的频率比红光要高，光的颜色往蓝光方向偏重，因此呈现蓝色，但是随着能量的消耗，蓝巨星也会逐渐变成红巨星。
超新星总的来说分为两大类，对于大质量恒星，如8—20倍太阳质量的恒星在能量消耗殆尽以后，会形成II型超新星。超新星释放的能量巨大，喷射物的速度能达到光速的十分之一，它的亮度可以与整个银河系的亮度相当。另外一种特殊的超新星叫作Ia型超新星，它的形成机理相对复杂，需要一个双星（binarystar）系统，也就是两个相互围绕对方旋转的天体系统，其中一个天体已经成了白矮星的状态，并不断从伴星吸收质量。当白矮星不断吸收质量并达到1.44倍太阳质量的钱德拉塞卡极限的时候，内部的简并压（degenerate pressure）无法抵抗强大的引力，就会再一次发生大规模的爆发。由于1.44倍太阳质量的钱德拉塞卡极限是比较精确的，因此这种Ia型超新星爆发时的亮度也是一个恒定的值，通过观察Ia型超新星的亮度并与其固有亮度进行比较，我们就能够清楚地算出这颗超新星与我们的距离，并可以通过对其光线红移分析出它远离我们的速度。
白矮星
那么继续往下，如果氦核聚变也结束了，甚至质量极大的恒星，在氦核聚变以后，还可以开启碳、氧（oxygen）的核聚变，生成钠和镁（magnesium）。如果所有核聚变都结束了，会发生什么呢？
无论发生什么，我们都说这颗恒星彻底进入老年阶段了。这就来到了恒星最主要的宿命之一——白矮星。
白矮星就是一颗恒星，所有能够发生的核聚变反应都已经结束了，不再有爆炸性的核反应能量释放，但是它的质量还在，内部压力还在，所以温度还在。白矮星会发出白色的光芒。这种白光不是因为核聚变产生的，而只是单纯的热辐射而已。
当然，依据初始质量的不同，最终白矮星的成分也是各异的，质量大的恒星，例如8—10.5倍太阳质量的恒星，在最终变成白矮星之前可以发生氧和氖（neon）的核聚变，生成镁。
图5-4 红巨星、白矮星、地球的类比（白矮星的质量跟太阳相当时，它的大小跟地球是相当的）
热辐射
总的来说，任何有温度的物体都会向外辐射电磁波，并且温度越高，电磁波辐射的能量就越高。这就跟把一块铁加热到温度很高时，它就会发红的道理是一样的。
日常生活中的物体也不是不发光，而是它们的温度不够高，一般都是发出红外线。戴上夜视仪就可以在黑暗当中看到物体辐射出的红外线。
白矮星之所以会发出白光，是因为它的表面温度仍然很高，有七八千摄氏度，在这个温度下，物质就会发出白光。跟恒星一样，白矮星的能量也不是无限的，总有一天会由于热辐射消失殆尽，最终白矮星会变成一颗黑矮星。只不过热辐射释放能量的效率很低，跟核聚变无法相提并论，所以恒星变成白矮星后，要经过很长时间，才会变成它的最终模样——黑矮星。黑矮星，顾名思义，就彻底不发出可见光了，只辐射极少的电磁波，它的温度与太空的背景温度相同。
但是白矮星阶段时间太长了，理论上白矮星的寿命比宇宙存在的时间还长，所以现在的宇宙中还不可能出现黑矮星。
根据科学家们的计算，只有质量介于0.07—10.5倍太阳质量的恒星最终才会成为白矮星。质量大于10.5倍太阳质量的恒星，最终的宿命就不是白矮星了。
第四节 恒星的第二种结局：中子星
当一颗恒星完成所有核反应后的质量超过钱德拉塞卡极限，也就是1.44倍太阳质量，它的最终宿命不会变成白矮星，其中一种可能会变成一颗中子 星。
在了解什么是中子星之前，先来简单介绍一个量子力学的知识，叫作泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）。
泡利不相容原理
泡利不相容原理说的是，不可能有两个费米子（fermion）处在完全相同的状态。而费米子的概念比较复杂，此处简单理解，后文再做详述，电子是费米子。那么根据泡利不相容原理，在一个系统中，没有两个电子可以处在完全相同的量子状态。
有了这个知识，就可以问一个跟“恒星大小为何恒定”类似的问题。当一颗恒星变成白矮星时，它还是有一个固定的大小，那又是什么力跟白矮星自身的引力平衡呢？
这个力在物理学上叫作简并压，简并压就是由泡利不相容原理产生的。
要理解白矮星的物质构成，就要先考察原子的结构。简单来说，原子的基本结构是带负电的电子，绕着带正电的原子核运动。每个绕核运动的电子都占据了一个特定的轨道，在轨道里，电子拥有恒定的能量。既然电子的轨道和能量都已经知道了，那么它的状态就被唯一确定了。这个时候，如果另一个电子要进入该轨道，根据泡利不相容原理，它必须跟这个已经占据轨道的电子状态不一样。
电子还有另外一个性质，叫作自旋（spin）。自旋可以理解为每个电子就好像一个小磁铁一样，有南极和北极。电子的自旋有两个状态，或者南极向上，或者北极向上。
因此原子核以外的每一个轨道，至多可以容纳自旋相反的两个电子，其中一个电子北极朝上，另一个南极朝上，再多就不行了。这两个在同一轨道内、自旋方向相反、能量大小相同的电子，就处在简并态（degeneratestate）。
图5-5 电子的自旋
图5-6 白矮星密度极大
这就形成了原子的结构：原子核居于中心，外面围绕着很多电子，能量高低各不相同；电子排布的规律是每个轨道至多可以容纳自旋相反的两个电子，多余的电子只能继续排布在外面能量更高的轨道。
如此一来，原子就变成了一个有限大小的东西。原子的内部其实是非常空的，原子的绝大部分质量集中在原子核上，占到了原子质量的99.96%。而且原子核的体积非常小，大概只有整个原子体积的几千亿分之一。
白矮星之所以不能够再收缩，就是因为泡利不相容原理。引力收缩的趋势要把外面的电子往里面的轨道上压，但是为了保证每个轨道至多两个电子，万有引力就与泡利不相容原理产生了矛盾，最终与简并压达到平衡。
白矮星的形态，可以认为是原子和原子之间没有了空隙，全都在引力的作用下被挤压在了一起，但是原子内部的空间还是很大的。这种情况下，白矮星的密度其实就是单个原子的密度。这个密度非常大，1cm3的体积内大概有10吨的质量。一个杯子大小的白矮星，就相当于一艘万吨巨轮。
中子星
如果恒星的质量继续增大，超过钱德拉塞卡极限，使引力大到超过简并压，会产生什么现象呢？很显然，这样一来，简并压就扛不住了，原子的结构会被压垮，恒星就会继续坍缩，最终走向另外一个宿命——中子星。中子星是由中子（neutron）构成的天体。我们知道，原子的中心是原子核，原子核当中，有带正电的质子（proton）和不带电的中子。
原子核里为什么要有中子呢？因为质子带的都是正电荷，而电荷的性质是异性相吸，同性相斥。大部分原子核里都有很多个质子，那又是什么力能够克服质子间相互排斥的库仑力，让质子老老实实待在原子核里呢？答案就是中子。中子充当了质子之间的“黏合剂”，它能提供强相互作用力（后文详述），把质子“绑”在一块儿。
如果天体的质量超过1.44倍太阳质量，简并压就没有办法继续跟引力抗衡，电子就会被压到原子核里。由于电子带负电，会和带正电的质子结合成中子，于是整个天体的主要物质就都变成中子，形成中子星。
但是在中子星内部，中子的状态是不稳定的，会再次经历β衰变，成为质子、电子以及一个反中微子（antineutrino），从而达到一种动态平衡的状态。
这样一来，我们就可以估算中子星的密度。因为原子结构不复存在了，原子里原本很大的空间就被压缩掉了，所以中子星的密度跟原子核的密度应该是差不多的。这个密度有多大呢？差不多是每立方厘米几百万亿吨，一勺子中子星上的物质差不多就能顶上整座喜马拉雅山的质量。并且，由于原子里的大部分体积都已经被压缩了，中子星的体积非常小，半径只有10km左右。相比之下，1个太阳质量的恒星，如果变成白矮星的话，它的大小则与地球相当。
脉冲星
中子虽然是中性的，但是由于中子不稳定，会衰变成带电的质子和电子。因此从宏观上看，中子星带有大量的电荷。这些电荷旋转起来，会产生非常强劲的电磁脉冲（electromagnetic pulse），这就是脉冲星。脉冲星在20世纪60年代才被天文学家发现，由于脉冲星发出的电磁脉冲信号十分强烈，并且很有规律，最开始被误以为是外星文明发出的信号。
图5-7 脉冲星
很多天体都自转，比如地球和太阳，这种自转，在天体坍缩、变小的过程中也一直存在，且随着天体体积的变小，它的旋转会越来越快。
这当中的物理规律叫作角动量守恒（conservation of angularmomentum）。简单来说，当一个物体围绕着某个轴做转动的时候，它相对于这个转轴的角动量，正比于它的质量乘以它的转动速度，再乘以它转动的半径。
当没有外部的力作用于这个物体上的时候，在它的整个旋转过程中，角动量是不变的。所以如果一个物体的旋转半径变小了，为了保持角动量守恒，它的旋转速度就必须变大。
其实，角动量守恒在日常生活中很常见，比如花样滑冰。花样滑冰运动员有一个常见的动作，就是一开始蹲着，然后手脚撑开，开始旋转，在转动过程中逐渐站立起来，手脚往回缩。手脚撑开的时候可以理解为转动的半径很大，但是一旦运动员站起来，半径就变小了。为了满足角动量守恒，他的旋转速度就必须变快。
中子星形成后，体积非常小，直径只有几十千米。它处于恒星阶段的时候，原本有着上百万千米的直径，因此它缩小以后，根据角动量守恒，转速必定会加快。旋转速度快的脉冲星，它的表面转速甚至可以达到光速的十分之一。那么如果恒星的质量再大下去，连中子星也抵挡不住引力收缩的趋势，会怎么样呢？这样的恒星最终很有可能会成为一个黑洞。
第五节 经典黑洞
了解了白矮星和中子星之后，我们要先从经典物理的层面搞明白：黑洞都有哪些性质，它为什么是“黑”的，以及它为什么是一个“洞”。当然，经典意义上的黑洞还并非真正的黑洞，它只是一种理论的假想和推论，并非真实存在。真实的黑洞来自广义相对论的推论，但是认识经典意义上的黑洞对我们初步了解黑洞是有帮助的。
用一句话概括黑洞就是：一个引力大到连光都无法从上面逃脱的天 体。
逃逸速度与质量的关系
我们在“极快篇”第三章讲到过一个概念，叫作第二宇宙速度。
第二宇宙速度说的是，如果要彻底摆脱地球引力的束缚，就必须要达到一个临界速度，这个速度大概是11.2km/s，也叫逃逸速度（escapevelocity）。
逃逸速度不仅限于地球，任何一个天体都有它对应的逃逸速度。因为要逃出某个天体，就是要克服它的万有引力。总的来说，一个天体的质量越大，半径越小，它的逃逸速度就越大。而天体表面万有引力的大小，跟天体的质量成正比，跟天体半径的平方成反比。
图5-8 光无法逃出黑洞
逃逸速度大到光速会怎么样？
如果有一个天体，它的质量大到一定程度，半径小到一定程度，以至于它的逃逸速度超过了光速，会出现什么情况呢？
很显然，在这种情况下，连光都没有办法从这个天体上逃离。这种天体，就是一个经典意义上的黑洞。
根据爱因斯坦的相对论，任何一个有质量的物体，如果速度达到了光速，就意味着它有无限大的能量，这在现实中是不可能的，所以任何有质量的物体的运动速度都无法超越光速，自然也就不可能从黑洞上逃逸出去（包括光在内）。
黑洞的性质
这就解释了为什么从经典物理的意义上讲，黑洞是“黑”的。你能看到一个物体有颜色，是因为物体反射的光传到了你的眼睛里。但是黑洞的引力太大了，没有任何光可以从上面逃逸出来，自然就无法进入你的眼睛，那你看上去它就是黑色的。
那为什么黑洞是一个“洞”，而不是一个球呢？这是因为它强大的“吸收”能力。任何东西只要进入了黑洞的范围内，就无法逃出来了，它就跟一个无底洞一样，只进不出，所以叫黑洞。
黑洞的形成，总的来说要让天体表面的引力足够大，要么质量非常大，要么半径非常小。在中子星半径很小的基础上，如果再加质量的话，就有可能达到黑洞的引力要求。
第六节 宇宙里还有什么？
放眼望去，你能在宇宙中看到各种天体，其中发光的主要是恒星。但宇宙里的主要物质，恰恰是肉眼不可见的，甚至目前连实验仪器也探测不到，这就是暗物质（darkmatter）。
简单来说，暗物质就是在宇宙中广泛存在，但只提供万有引力，不参与其他任何相互作用的物质。再加上万有引力非常弱，所以要在地球范围内探测到暗物质是十分困难的。那既然探测不到，暗物质的概念又是怎么来的呢？
银河系转得太快了
暗物质的假设来自对银河系转速的观测。我们知道，银河系内有很多天体，外观看上去像一个大圆盘，围绕着银河系的中心转动。
既然是转动，就需要一个向心力。什么是向心力呢？比如一根绳子上绑着一个重物，然后你挥舞着绳子让重物转动起来。转速越快的话，你会感觉手里绳子的张力越来越大。这个力，就提供了重物持续转动的向心力。
银河系既然在旋转，那么它也需要一个向心力，这个向心力其实就是银河系里的天体提供的万有引力。银河系里的可见天体有多少，我们是可以通过天文观测估算出来的。有了这个数值，也能估算出这些天体能给银河系的旋转提供多少万有引力。
算下来会发现，以目前银河系的转速，现有的银河系里的可见天体是无法提供那么大的万有引力的。换句话说，银河系转得太快了。如果光靠银河系现有的可见天体来提供万有引力，银河系早就散架了。
那要如何解决这个矛盾呢？科学家们就引入了暗物质的概念。
想象中的暗物质
暗物质是科学家们假想的一种物质，它几乎只提供万有引力。所以现实中还没有用任何可靠的实验手段探测到，起初只是为了解释银河系转速过快的问题。
暗物质不产生任何其他效果，这些暗物质跟电磁场也没有任何相互作用。为什么跟电磁场的相互作用那么重要呢？因为在实验室里，要研究一种物质，或者基本粒子，通常是用电磁相互作用来探测的。如果暗物质不跟电磁场有相互作用的话，就等于我们用常规手段探测不到它。
除了没有电磁相互作用外，暗物质也几乎不参与强力和弱力的相互作用。这样的话，我们也无法用粒子物理的办法去探测它。也就是说，如果暗物质存在的话，它在现实世界中碰到其他物体，都不会感受到任何障碍，暗物质可以“穿透”一切物质。
这也是为什么到目前为止，暗物质的概念已经提出了几十年［其实在19世纪末，著名物理学家开尔文爵士通过计算银河系的转速就已经有了“暗体”（dark body）的概念了］，但是科学家们除了观察到它的引力效果外，完全没有任何相关的实验信息。并且由于万有引力非常弱，所以在地球范围内做实验的话，暗物质的引力效果几乎观察不出来，只有大到银河系的尺度，才能显著感受到它的存在。
有科学家提出，如果在对撞机（collider）里能制造出暗物质，由于除开引力它不参与其他相互作用，可以穿透一切的暗物质应当会在被制造出来之后自发地逃出对撞机，这样的话会造成对撞机内物质的能量和动量不守恒，这种不守恒应该可以被探测到。
虽然这个理论颇有道理，但目前也没有实验上的显著进展。
关于暗物质的猜想
假设暗物质真的存在的话，我们可以根据天文观测来估算一下它在宇宙中的含量有多少。根据计算，暗物质占宇宙中质能总量的20%以上，这是一个巨大的数字。要知道，宇宙中普通物质（ordinarymatter）的质量，也就只有5%左右。
再加上之前介绍过的主导宇宙膨胀的暗能量，它和暗物质加起来，总共占据全宇宙能量的95%以上。所以宇宙里的物质，可以说绝大部分是隐藏着的，是我们感知不到的，这更增加了宇宙的神秘感。
当然，也存在另外一种可能，就是我们目前的理论还不够完善。宇宙的尺度非常大，但是从实验探测的角度来说，人类至今还没飞出太阳系。虽然我们的科学理论在太阳系尺度内来看是很准确的，但是紧靠对于太阳系以外宇宙的观测，并不能百分之百保证，像广义相对论这样描述大尺度宇宙行为的理论，放在银河系，甚至全宇宙仍然是正确的。
所以，暗物质的概念未必是正确的，暗物质也未必真的存在，只是我们以往的理论还不够完善，不足以解释银河系转速过快的问题。可见人类在探索宇宙这条路上，还有很长的路要走。